Objetivos
Ao final desta seção, você será capaz de:
- Descrever o ciclo de Calvin
- Definir a fixação de carbono
- Explicar como funciona a fotossíntese no ciclo de energia de todos os organismos vivos
Após a energia do sol é convertida e embalados em ATP e NADPH, a célula tem o combustível necessário para construir alimentos, na forma de moléculas de carboidratos. As moléculas de carboidratos feitas terão uma espinha dorsal de átomos de carbono. De onde vem o carbono? Os átomos de carbono usados para construir moléculas de carboidratos vêm do dióxido de carbono, o gás que os animais exalam a cada respiração. O ciclo de Calvin é o termo usado para as reações da fotossíntese que usam a energia armazenada pelas reações dependentes da luz para formar glicose e outras moléculas de carboidratos.
The Interwork of the Calvin Cycle
Figura 1. Reações dependentes da luz aproveitam a energia do sol para produzir ATP e NADPH. Estas moléculas carregadoras de energia viajam para o estroma onde as reações do ciclo de Calvin ocorrem.
nas plantas, o dióxido de carbono (CO2) entra no cloroplasto através dos estomas e se difunde no estroma do cloroplasto—o local das reações do ciclo de Calvin onde o açúcar é sintetizado. As reações são nomeadas em homenagem ao cientista que as descobriu, e referenciam o fato de que as reações funcionam como um ciclo. Outros o chamam de ciclo Calvin-Benson para incluir o nome de outro cientista envolvido em sua descoberta (Figura 1).as reações do ciclo de Calvin (Figura 2) podem ser organizadas em três fases básicas: fixação, redução e regeneração. No estroma, além do CO2, dois outros químicos estão presentes Para iniciar o ciclo de Calvin: uma enzima abreviada RuBisCO, e a molécula bifosfato de ribulose (RuBP). RuBP tem cinco átomos de carbono e um grupo de fosfato em cada extremidade.
RuBisCO catalisa uma reação entre CO2 e RuBP, que forma um composto de seis átomos de carbono que é imediatamente convertido em dois compostos de três átomos de carbono. Este processo é chamado de fixação de carbono, porque o CO2 é “fixo” a partir de sua forma inorgânica em moléculas orgânicas.
ATP e NADPH usam sua energia armazenada para converter o composto de três átomos de carbono, 3-PGA, em outro composto de três átomos de carbono chamado G3P. este tipo de reação é chamada de reação de redução, porque envolve o ganho de elétrons. Uma redução é o ganho de um elétron por um átomo ou molécula. As moléculas de ADP e NAD+, resultantes da reação de redução, retornam às reações dependentes da luz para serem re-energizadas.uma das moléculas de G3P deixa o ciclo de Calvin para contribuir para a formação da molécula de carboidratos, que é comumente glicose (C6H12O6). Como a molécula de carboidratos tem seis átomos de carbono, são necessárias seis voltas do ciclo de Calvin para fazer uma molécula de carboidratos (uma para cada molécula de dióxido de carbono fixada). As restantes moléculas G3P regeneram o RuBP, o que permite que o sistema se prepare para a etapa de fixação de carbono. O ATP também é usado na regeneração do RuBP.
Figura 2. O ciclo Calvin tem três fases. Na fase 1, A enzima RuBisCO incorpora dióxido de carbono em uma molécula orgânica. Na fase 2, a molécula orgânica é reduzida. No estágio 3, RuBP, a molécula que inicia o ciclo, é regenerada para que o ciclo possa continuar.
em resumo, são necessárias seis voltas do ciclo de Calvin para fixar seis átomos de carbono do CO2. Estas seis voltas requerem a entrada de energia de 12 moléculas ATP e 12 moléculas NADPH na etapa de redução e 6 moléculas ATP na etapa de regeneração.
conceito em acção
Confira esta animação do ciclo de Calvin. Clique na Fase 1, Fase 2, e então na Fase 3 para ver G3P e ATP regenerar para formar RuBP.
a Evolução em Ação
Fotossíntese
a Figura 3. Viver nas duras condições do deserto levou plantas como este cacto a evoluir variações de reações fora do ciclo de Calvin. Estas variações aumentam a eficiência e ajudam a conservar a água e a energia. (credito: Piotr Wojtkowski)
a história evolutiva compartilhada de todos os organismos fotossintéticos é notável, como o processo básico mudou pouco ao longo de eras de tempo. Mesmo entre as folhas tropicais Gigantes na floresta tropical e minúsculas cianobactérias, o processo e os Componentes da fotossíntese que usam a água como um doador de elétrons permanecem em grande parte os mesmos. Phosystems funcionam para absorver luz e usar cadeias de transporte de elétrons para converter energia. As reacções do ciclo de Calvin reúnem moléculas de hidratos de carbono com esta energia.no entanto, como em todas as vias bioquímicas, uma variedade de condições leva a adaptações variadas que afetam o padrão básico. A fotossíntese em plantas de clima seco (Figura 3) evoluiu com adaptações que conservam a água. No calor seco, cada gota de água e energia preciosa deve ser usada para sobreviver. Duas adaptações evoluíram em tais plantas. De uma forma, um uso mais eficiente de CO2 permite que as plantas fotossintetizem mesmo quando o CO2 está em falta, como quando os stomata são fechados em dias quentes. A outra adaptação realiza reações preliminares do ciclo de Calvin à noite, porque abrir o stomata neste momento conserva a água devido a temperaturas mais frias. Além disso, esta adaptação permitiu que as plantas realizassem baixos níveis de fotossíntese sem abrir stomas, um mecanismo extremo para enfrentar períodos extremamente secos.
fotossíntese em procariontes
as duas partes da fotossíntese—as reações dependentes da luz e o ciclo de Calvin-foram descritas, uma vez que ocorrem em cloroplastos. No entanto, procariotas, como cianobactérias, não possuem organelas ligadas à membrana. Os organismos fotossintéticos procarióticos têm ligações à membrana plasmática para fixação e fotossíntese da clorofila (Figura 4). É aqui que organismos como cianobactérias podem realizar fotossíntese.
Figura 4. Um procariote fotossintético tem regiões da membrana plasmática que funcionam como tilacóides. Embora estes não estejam contidos em uma organela, como um cloroplasto, todos os componentes necessários estão presentes para realizar a fotossíntese. (crédito: scale-bar data from Matt Russell)
o ciclo de energia
os seres vivos acedem à energia através da quebra de moléculas de hidratos de carbono. No entanto, se as plantas fazem moléculas de carboidratos, porque precisariam de as quebrar? Os hidratos de carbono são moléculas de armazenamento de energia em todos os seres vivos. Embora a energia possa ser armazenada em moléculas como a ATP, os carboidratos são reservatórios muito mais estáveis e eficientes para a energia química. Os organismos fotossintéticos também realizam as reações da respiração para colher a energia que eles armazenaram em carboidratos, por exemplo, as plantas têm mitocôndrias, além de cloroplastos.
Você pode ter notado que a reação global para a fotossíntese:
6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2
é o inverso da reação global para a respiração celular:
6O2+C6H12O6→6CO2+6H2O
a Fotossíntese produz oxigênio como subproduto, e a respiração produz dióxido de carbono como subproduto.na natureza, os resíduos não existem. Cada átomo de matéria é conservado, reciclando-se indefinidamente. As substâncias mudam de forma ou mudam de um tipo de molécula para outro, mas nunca desaparecem (Figura 5).
Figura 5. No ciclo do carbono, as reações da fotossíntese e da respiração celular compartilham reagentes e produtos recíprocos. (crédito: modificação do trabalho por Stuart Bassil)
CO2 não é mais uma forma de resíduos produzidos pela respiração do que o oxigénio é um produto residual da fotossíntese. Ambos são subprodutos de reações que se movem para outras reações. A fotossíntese absorve energia para construir carboidratos em cloroplastos, e a respiração celular aeróbica libera energia usando oxigênio para quebrar carboidratos em mitocôndrias. Ambas as organelas usam cadeias de transporte de elétrons para gerar a energia necessária para impulsionar outras reações. A fotossíntese e a respiração celular funcionam num ciclo biológico, permitindo aos organismos aceder à energia vital que se origina a milhões de quilómetros de distância numa estrela.
Resumo da secção
usando os portadores de energia formados na primeira fase da fotossíntese, as reacções do ciclo de Calvin fixam CO2 do ambiente para formar moléculas de hidratos de carbono. Uma enzima, RuBisCO, catalisa a reação de fixação, combinando CO2 com RuBP. Resultante de seis carbono composto é dividido em dois de três compostos de carbono, e a energia em ATP e NADPH são utilizados para converter estas moléculas G3P. Um dos três moléculas de carbono de G3P deixa o ciclo para se tornar uma parte de um hidrato de carbono da molécula. As restantes moléculas G3P permanecem no ciclo a ser formado de volta em RuBP, que está pronto para reagir com mais CO2. A fotossíntese forma um ciclo energético equilibrado com o processo de respiração celular. As plantas são capazes de fotossíntese e respiração celular, uma vez que contêm tanto cloroplastos quanto mitocôndrias.perguntas adicionais de auto-verificação
1.Que parte do ciclo de Calvin seria afectada se uma célula não pudesse produzir a enzima RuBisCO?2. Explique a natureza recíproca das reações químicas líquidas para fotossíntese e respiração.
Respostas
1. Nenhum do ciclo poderia ter lugar, porque RuBisCO é essencial na fixação de dióxido de carbono. Especificamente, RuBisCO catalisa a reação entre dióxido de carbono e RuBP no início do ciclo.2. A fotossíntese toma a energia da luz solar e combina água e dióxido de carbono para produzir açúcar e oxigênio como um produto de desperdício. As reações da respiração pegam açúcar e consomem oxigênio para quebrá-lo em dióxido de carbono e água, liberando energia. Assim, os reagentes da fotossíntese são os produtos da respiração, e vice-versa.